環(huán)境風影響直接空冷凝汽器換熱的研究綜述

高沛，張學鐳

（電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室（華北電力大學），河北省保定市 071003）

0 引言

在我國富煤缺水地區(qū)，空冷機組以其良好的節(jié)水性能得到了快速發(fā)展。隨著世界范圍內(nèi)水資源的減少，空冷機組又將迎來新的發(fā)展契機。但是，空冷技術(shù)還有很多不完善的地方，其中，環(huán)境風影響下空冷島換熱效率的降低是直接空冷機組目前面臨的普遍問題。環(huán)境風的風速、風向，空冷平臺的高度和間距，以及擋風墻的高度都能夠影響空冷島的換熱性能。

近年來，國內(nèi)外眾多學者通過對空冷島的數(shù)值模擬分析，基本掌握了空冷系統(tǒng)的環(huán)境風效應(yīng)機理，揭示了環(huán)境風影響下空冷系統(tǒng)性能的變化規(guī)律，給出了很多應(yīng)對環(huán)境風不利影響原則，并提出了一些改善的方法，為空冷機組的優(yōu)化運行提供了一些參考。本文在之前學者研究成果的基礎(chǔ)上，針對環(huán)境風對空冷島換熱影響的問題進行分析和討論。

1 環(huán)境風對空冷島換熱的影響

空冷島換熱受環(huán)境風的影響主要體現(xiàn)在橫向風和空冷島結(jié)構(gòu)2個方面。當橫向風和空冷島接觸時，由于空冷島的阻礙作用會使空冷島周圍的流場發(fā)生改變。圖1為無環(huán)境風時空冷島周圍的流場分布，從圖中可以看出，在無環(huán)境風作用的情況下，風機入口的氣流分布均勻，可以保證風機正常出力。圖2為左側(cè)有橫向風吹來的情況，從圖中可以看出，由于橫向風的影響，風機入口氣流的角度會發(fā)生偏斜，從而使風機入口氣流分布不均勻，進而導致風機進氣量減少。影響空冷島換熱問題的原因是多方面的，本文主要從橫向風和空冷島結(jié)構(gòu)2個方面進行分析和討論。

1.1 橫向風的影響

橫向風的影響主要分為風速的影響和風向的影響2個方面，針對氣候條件的特點，將風速分為3，6，9m／s 3種情況進行研究。橫向風在受到建筑物的阻擋時，其流動的速度和方向都會發(fā)生改變，這樣就會對周圍的流場造成不利的影響。空冷凝汽器的換熱性能降低的主要原因就是空冷島的流場發(fā)生了改變。

文獻［1］分析了風速為3，6，9m／s 3種不同情況下空冷島的速度場分布，得出隨著橫向風速的增大，迎風側(cè)的風機的進氣量會明顯減少的結(jié)論。該文獻指出，由于風機的抽吸作用會使風機入口前形成一個負壓區(qū)，空氣垂直于風機入口向上流動，但是當受到橫向風的影響時，空氣垂直向上運動的方向?qū)l(fā)生改變，導致進入風機入口的空氣量減少，使空冷凝汽器換熱能力減弱。越靠近迎風側(cè)的空冷單元，其受橫向風的影響越大，所以前排風機的換熱性能會有很大的降低。隨著橫向風速的不斷加大，這種影響也越來越嚴重。

文獻［2］分析了爐后來風和爐前來風這2種不同風向的環(huán)境風對空冷凝汽器換熱性能的影響。指出，當橫向風由鍋爐房側(cè)吹來時，來流方向位于空冷島的上游區(qū)域，由于建筑物的遮擋使風機吸風量減少，同時由于熱風回流的作用，導致風機入口氣流的溫度升高。橫向風由爐后方向吹來時，來流方向位于空冷島的下游區(qū)域，避開了建筑物的遮擋，凝汽器的換熱情況得到改善。

環(huán)境風的風速和風向?qū)绽鋶u的影響是同時存在的。當不利風向伴有較高的風速時，空冷凝汽器的換熱性能會受到很嚴重的影響。在這種情況下，空冷凝汽器的換熱性能是最低的。

1.2 空冷島結(jié)構(gòu)的影響

在橫向風的風速和風向不變的情況下，空冷島的平臺高度、平臺間距和擋風墻高度，會影響機組的換熱性能。橫向風在受到建筑物的阻擋時，其流場會發(fā)生改變，平臺下方的風速會有所增加，這樣就造成進入風機入口氣流的角度發(fā)生偏斜，進而使風機進氣量減少。

文獻［3－4］分析了不同風速下空冷島平臺高度對凝汽器換熱效率的影響，并通過數(shù)值模擬的方法得到了最佳的空冷平臺的高度。文中指出，當空冷平臺的高度很低時，橫向風在空冷島平臺下方的流通面積減少，根據(jù)空氣動力學原理，流通面積減少會導致流速的增加。因為，進入風機的氣流會保持橫向風的慣性，所以風機入口氣流的角度會向后方傾斜，從而對風機性能造成不利的影響。

文獻［5］分析了不同的平臺間距對空冷凝汽器換熱效率的影響。當橫向風吹向空冷島時，由于2個平臺之間存在狹長的過道，會形成過道風，風速突然增大使空冷平臺上方的熱空氣被向下卷入，隨之被靠近擋風墻側(cè)的風機吸入，造成風機入口溫度的升高，進而導致凝汽器換熱性能的降低。平臺間距的增大，可以減弱熱風回流現(xiàn)象對凝汽器換熱性能的影響，并且隨著空冷平臺間距的增大，產(chǎn)生熱風回流的換熱單元也會向后排推移。

文獻［6］分析了不同的擋風墻高度對空冷凝汽器換熱性能的影響。在空冷島四周沒有擋風墻時，橫向風的作用會導致凝汽器出口氣流發(fā)生偏移，風機入口溫度升高，進而導致整體換熱性能的降低。在加裝擋風墻后，換熱效率隨著擋風墻高度的增加而增加，但是當擋風墻的高度超過一定的程度后，換熱效率會隨著高度的增加而降低。

在有橫向風吹來時，空冷平臺的支撐柱子也會對空冷島周圍的流場造成影響。支撐柱子對空冷平臺起支撐的作用，為保證承重的要求，柱子間的間距不能太大。當有橫向風吹來時，柱子阻擋部分的風的流速會有所降低，而柱子間隙部分的風的流速會有所升高。這樣就會形成風速不一的流場分布，也必然會對風機性能造成一定的影響。目前還沒有相關(guān)的文獻研究、討論這個問題。

2 改善環(huán)境風影響的方法

針對環(huán)境風對空冷凝汽器換熱性能的影響，學者們通過實驗和數(shù)值研究提出了一些改進的方法。有些方法已經(jīng)在實際工程中有所應(yīng)用，并且取得了不錯的效果。

2.1 加裝下?lián)躏L墻

在上擋風墻的基礎(chǔ)上加設(shè)下?lián)躏L墻的方法是最早被提出來的方法。文獻［7－8］指出，在進行數(shù)值模擬時發(fā)現(xiàn)，當環(huán)境橫向風速較大時，從散熱器翅片管上擴散出去的熱空氣會被壓回，然后又很快地被風機卷吸，使進入風機入口空氣的溫度升高，進而導致?lián)Q熱器換熱性能惡化。加裝下?lián)躏L墻以后，可以有效防止壓回的熱空氣重新被風機吸入，進而能夠降低風機入口空氣的溫度，提高換熱的效率。圖3為加裝下?lián)躏L墻示意圖。

圖3 加裝下?lián)躏L墻Fig.3 Installation of lower wind－break wall

加裝下?lián)躏L墻以后，雖然對熱風回流起一定的阻擋作用，但同時也阻礙了空氣進入風機，導致風機出力減小。并且，在加裝一定高度的下?lián)躏L墻以后，導致空冷島下方區(qū)域橫向風的流通面積減少、橫向風速增加，從而對風機出力造成不利影響。考慮上述情況，有學者提出了加裝曲面擋風墻［9］的方法。曲面擋風墻能夠?qū)M向風起導流的作用，可以減少因橫向風速增大而造成風機出力的下降。

空冷島是懸空布置的，加裝擋風墻后會增加空冷島的整體質(zhì)量，而支柱的設(shè)計承重是有一定限度的，考慮到安全運行，加裝下?lián)躏L墻的方法在實際工程中沒有得到應(yīng)用。

2.2 加裝防風網(wǎng)

防風網(wǎng)作為一種特殊的多孔屏障，能夠改變流場、溫度分布、透氣率等多方面的環(huán)境參數(shù)。防風網(wǎng)對流場的改變主要體現(xiàn)在以下2個方面［10－11］。

（1）由于來流的阻礙，以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)本身的摩擦作用，造成來流的能量損失，使網(wǎng)后的平均風速明顯地降低。防風網(wǎng)的多孔結(jié)構(gòu)，對來流中的大尺度渦旋有過濾的作用，可以降低網(wǎng)后的湍流度，從而降低脈動風速。

（2）相對于擋風墻而言，防風網(wǎng)很好地彌補了擋風墻的不足。防風網(wǎng)只是對橫向風的風速起減弱作用，可以保證風機入口空氣流動通暢，避免了風機出力不足。加裝防風網(wǎng)后，空冷單元的空氣流量和換熱量明顯增加。隨著環(huán)境風速的增大，防風網(wǎng)的防風效果越來越明顯。

防風網(wǎng)的布置高度和開孔率是影響防風網(wǎng)防風效果的重要因素。防風網(wǎng)已經(jīng)在實際工程中得到應(yīng)用。在實際安裝時，防風網(wǎng)一般布置在擋風墻的下沿位置，通過固定裝置固定在空冷平臺的鋼梁上。考慮到壽命問題，一般選取聚乙烯材料的防風網(wǎng)。圖4為加裝防風網(wǎng)示意圖。

圖4 加裝防風網(wǎng)Fig.4 Installation of windproof net

現(xiàn)以某300 MW 直接空冷機組為例，分析加裝防風網(wǎng)后空冷島換熱效率的變化。該空冷島共有30臺空冷風機，所用防風網(wǎng)的開孔率為40%，厚度為0.65mm。加裝防風網(wǎng)后，空冷凝汽器換熱性能的變化情況如表1所示。由表1可知，加裝防風網(wǎng)后其換熱性能得到明顯改善。

表1 加裝防風網(wǎng)后空冷島換熱效率的變化Tab.1 Change of air cooling island's heat exchange efficiency after windproof net installed

2.3 導流裝置

橫向風的存在，嚴重影響了風機的正常出力。相對防風網(wǎng)而言，導流裝置［12］不是通過降低橫向風的風速而是通過改變橫向風的風向來達到削弱橫向風不利影響的目的。

導流裝置安裝在擋風墻的下部，安裝角度為45°，使橫向風經(jīng)過導流葉片后其方向由橫向變?yōu)槌蚩绽滹L機的吸入口，以削弱橫向風的不利影響。在環(huán)境風速很大的情況下，由于導流的作用還能夠使進入風機的風量超過額定值，更有利于空冷單元的換熱。

導流的作用雖然能夠改善前排風機出力的情況，但會對后排風機造成不利的影響，因為橫向風速的改變，會導致流經(jīng)后排風機的空氣量減少，進而影響整體的換熱性能。基于以上考慮，在導流裝置的基礎(chǔ)上，提出了導流網(wǎng)的設(shè)想。

所謂導流網(wǎng)［13］就是采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的導流裝置，使其兼顧導流板和防風網(wǎng)的雙重作用。導流網(wǎng)不僅可以改變橫向風的風向，而且還能減弱橫向風的風速。因為導流網(wǎng)是加裝在擋風墻的下方，不會影響下游空冷單元的進風量，而且還能增大前排風機的進氣量。圖5為加裝導流網(wǎng)示意圖。

圖5 加裝導流網(wǎng)Fig.5 Installation of wind guiding nets

目前，導流網(wǎng)還處在設(shè)想階段，其在空冷平臺下的安裝方法是亟待解決的問題。從數(shù)值模擬的結(jié)果分析，導流網(wǎng)對空冷凝汽器換熱性能的改善效果要好于防風網(wǎng)的改善效果，可以預見導流網(wǎng)的應(yīng)用前景也要好于已經(jīng)在工程上得到應(yīng)用的防風網(wǎng)。

3 結(jié)語

綜合分析國內(nèi)外學者的研究成果，得出如下結(jié)論：橫向風和空冷平臺的結(jié)構(gòu)是影響空冷凝汽器換熱的主要原因，這種影響主要體現(xiàn)在風機入口溫度的升高和風機出力的降低2個方面；擋風墻、防風網(wǎng)、導流裝置等可以有效改善空冷凝汽器的換熱性能。

隨著世界空冷機組技術(shù)的快速發(fā)展和科研水平的提高，環(huán)境風對空冷島換熱的影響作為一個課題也不斷有新的研究成果出現(xiàn)。對此課題，未來研究的方向和內(nèi)容主要有以下2個方面：

（1）數(shù)值模擬方法和實驗室模型實驗相結(jié)合，提高數(shù)據(jù)的準確性。

（2）針對瞬間變化的環(huán)境風場進行針對性的模擬研究，尋找惡劣環(huán)境下的應(yīng)對措施。

［1］呂燕，熊楊恒，李坤.橫向風對直接空冷系統(tǒng)影響的數(shù)值模擬［J］.動力工程，2008，28（4）：589－599.

［2］賈寶榮，楊立軍，杜小澤，等.不同風向條件下空冷島運行特性的數(shù)值模擬［J］.現(xiàn)代電力，2009，26（3）：71－75.

［3］周蘭欣，李海宏，周書昌，等.600 MW 直接空冷機組空冷島最佳高度的數(shù)值模擬［J］.汽輪機技術(shù)，2011，53（3）：167－169.

［4］周蘭欣，白中華，李衛(wèi)華.直接空冷機組空冷島結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究［J］.汽輪機技術(shù)，2008，50（2）：95－97.

［5］周蘭欣，崔皓程，魏春枝.空冷平臺間距對空冷凝汽器換熱效率的影響［J］.動力工程，2009，29（8）：765－776.

［6］增強，王智剛.空冷島擋風墻最佳高度的數(shù)值模擬［J］.熱力發(fā)電，2011，10（10）：21－24.

［7］王建平，吳鵬，王宏明，等.600 MW 直接空冷凝汽器加裝下?lián)躏L墻的數(shù)值研究［J］.電力科學與工 程，2012，28（3）：51－55.

［8］周蘭欣，李建波，李衛(wèi)華，等.直接空冷機組凝汽器加裝下?lián)躏L墻的數(shù)值模擬［J］.動力工程，2008，28（5）：744－747.

［9］周蘭欣，曹智杰，弓學敏.直接空冷凝汽器加裝曲面下?lián)躏L墻的數(shù)值模擬［J］.電力建設(shè)，2011，32（9）：1－5.

［10］陳海平，吳勝利，王璟，等.加裝防風網(wǎng)的空冷島換熱性能研究［J］.中國電機工程學報，2011，31（1）：131－136.

［11］丁常富，丁振宇，侯乃明，等.直接空冷凝汽器加裝防風網(wǎng)的數(shù)值模擬［J］.動力工程，2009，29（10）：956－965.

［12］賈寶榮，楊立軍，杜小澤，等.導流裝置對直接空冷單元流動傳熱特性的影響［J］.中國電機工程學報，2009，29（8）：14－19.

［13］楊建國，劉達，張兆營，等.加裝導流網(wǎng)以改善橫向風對直接空冷凝汽器的影響［J］.中國電機工程學報，2012，32（2）：1－8.